(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜、燃料電極および酸化剤電極からなる膜電極接合体の燃料電極面側に、複数の燃料ガス通路を設けたセパレータを配置し、前記膜電極接合体の酸化剤電極面側に、複数の酸化剤ガス通路を設けたセパレータを配置してなる燃料電池セルであって、
各前記燃料ガス通路の先端に、それぞれ、相対的に湿度が高い燃料ガスを流入させるための第一流入路と、相対的に湿度が低い燃料ガスを流入させるための第二流入路とを備えると共に、
各前記酸化剤ガス通路の先端に、それぞれ、相対的に湿度が高い酸化剤ガスを流入させるための第一流入路と、相対的に湿度が低い酸化剤ガスを流入させるための第二流入路とを備えたことを特徴とする燃料電池セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セルに関するものであり、詳しくは、固体高分子形燃料電池に採用される燃料電池セルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の一種として、フッ素系の高分子や炭化水素系の高分子からなる膜を電解質膜として用いた固体高分子形燃料電池が知られている。そのような固体高分子形燃料電池は、一般的に、カチオン（水素イオン）を選択的に透過するイオン交換膜からなる電解質膜と、その電解質膜の燃料ガス（水素ガス等）が導入される面に配置された触媒層およびガス拡散層からなる燃料電極（アノード電極）と、酸化剤ガス（空気等）が導入される面に配置される触媒層およびガス拡散層からなる酸化剤電極（カソード電極）とから構成される膜−電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を備えている。
【０００３】
上記したタイプの固体高分子形燃料電池においては、燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されると、燃料電極側では、水素ガスを水素イオンと電子とに電離する反応（下式１）が起こり、電離した水素イオン（カチオン）が電解質膜中を酸化剤電極側に移動する。また、酸化剤電極側では、空気中の酸素、水素イオンおよび電子から水を生成する反応（下式２）が起こる。
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ− ・・・式１
２Ｈ＋＋２ｅ−＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ・・・式２
【０００４】
上記反応が起こる際には、燃料電極側で電離される水素イオンは、酸化剤電極側に向かって電解質膜中を水とともに移動する（すなわち、電解質膜中に保水されている水と水和することにより、燃料電極側から酸化剤電極側に移動する）。そのため、上記反応の進行に伴って、燃料電極側における電解質膜の含水率が減少する現象（所謂、ドライアップ現象）が発生する。そして、ドライアップ現象が発生すると、水素イオンが移動するための水が不足し、水素イオンが電解質膜を透過するときの電気抵抗が大きくなり、燃料電池の発電効率が低下してしまう。
【０００５】
一方、固体高分子形燃料電池の運転中においては、ＭＥＡの周辺温度は、外気温とほぼ等しい温度から約８０℃まで変化する。そのように、ＭＥＡの周辺温度が変化すると、水素ガスとともに供給される水蒸気（加湿水）のガス飽和蒸気圧が変化することによって、燃料電極近傍に凝縮した水（余剰水）が多量に生成することがある。そのように余剰水が多量発生すると、燃料電極側における高分子電解質膜の含水率は増加するものの、余剰水が燃料電極に付着した状態（所謂、フラッディング現象）が発生する。そして、フラッディング現象が発生すると、燃料電極を構成する触媒層の細孔中を導通路として気相拡散する水素ガスの供給が阻害されるため、燃料電極における電離反応が減退して、酸化剤電極側に移動する水素イオンおよび電子が減少し、ドライアップ現象が発生した場合と同様に、燃料電池の発電効率が低下してしまう。
【０００６】
上記の如く、固体高分子形燃料電池の発電効率を高く保持するためには、ＭＥＡ、特に、電解質膜の含水率を適正に確保することが不可欠である。それゆえ、燃料電池の発電部分における湿度管理を適正化する方法として、特許文献１の如く、水素貯蔵合金を利用して燃料電極側の触媒層を形成することにより水素極側で生成水を発生させてドライアップによる水素イオン伝導性の低下を低減する方法や、特許文献２の如く、ＭＥＡの触媒層とガス拡散層との間に保水層を挿入して生成水を吸収することによりフラッディングの発生を低減する方法が提案されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−７３２５２号公報
【特許文献２】特開２００４−１５８３８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１の如く、水素貯蔵合金を利用して燃料電極側の触媒層を形成する方法は、多くの水素貯蔵合金が必要とされるため、触媒層の厚みを大きくせざるを得ず、構造が複雑になる上、製造コストがきわめて高くなるという不具合がある。また、特許文献２の如く、触媒層とガス拡散層との間に保水層を挿入する方法は、保水層の厚みを大きくせざるを得ず、特許文献１の方法と同様に、構造が複雑になるとともに、製造コストがきわめて高くなってしまう。
【０００９】
本発明の目的は、上記従来の燃料電池セルが有する問題点を解消し、構造がシンプルで安価に製造することができる上、フラッディング状態の発生およびドライアップ状態の発生による燃料電池の発電効率の低下を抑制することが可能で実用的な燃料電池セルを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、電解質膜、燃料電極および酸化剤電極からなる膜電極接合体の燃料電極面側に、複数の燃料ガス通路を設けたセパレータを配置し、膜電極接合体の酸化剤電極面側に、複数の酸化剤ガス通路を設けたセパレータを配置してなる燃料電池セルであって、  各燃料ガス通路の先端に、それぞれ、相対的に湿度が高い燃料ガスを流入させるための第一流入路と、相対的に湿度が低い燃料ガスを流入させるための第二流入路とを備えると共に、 各酸化剤ガス通路の先端に、それぞれ、相対的に湿度が高い酸化剤ガスを流入させるための第一流入路と、相対的に湿度が低い酸化剤ガスを流入させるための第二流入路とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の燃料電池セルは、湿度の異なるガスのそれぞれの供給量を制御することによって、燃料電池セルスタックの湿度を容易に管理することができる。したがって、本発明の燃料電池セルによれば、燃料電池の発電効率を高く維持することができる。また、ドライアップが発生したときには、十分に加湿されたガスを燃料電池セルスタックに供給し、フラッディングが発生したときには、生成水を取り込む余裕のあるガスを燃料電池セルスタックに供給することにより、湿度状態を早急に適正な状態に戻すことができる。したがって、本発明の燃料電池セルによれば、燃料電池発電設備の寿命を長くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明に係る燃料電池セルの一実施形態を、図面に基づいて詳細に説明する。
【参考例】
【００１３】
図１は、参考例の燃料電池セルの鉛直断面を示す説明図であり、燃料電池セル１ａは、膜−電極接合体であるＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）２、燃料極側のセパレータ３、酸化剤極側のセパレータ４、シール部材５によって構成されている。ＭＥＡ２は、水素イオンを選択的に透過するイオン交換膜からなる電解質膜６と、電解質膜６の水素ガスが導入される面に配置された触媒層およびガス拡散層からなる燃料電極（アノード電極）７と、酸化剤ガス（空気）が導入される面に配置される触媒層およびガス拡散層からなる酸化剤電極（カソード電極）８とによって構成されている。
【００１４】
図２は、燃料極側のセパレータ３の表面を示したものであり、セパレータ３は、ガス不透過性の材料によって形成されており、表面（燃料電極４との接合面）に、燃料ガスを流通させるための凹溝状の燃料ガス通路９を備えている。燃料ガス通路９は、相対的に湿度が高い燃料ガスを通過させるための複数の第一通路１０，１０と、相対的に湿度が低いガスを通過させるための複数の第二通路１１，１１とを有している。各第一通路１０，１０および各第二通路１１，１１は、左右方向に長尺な水平溝と、それらの水平溝同士を連結する鉛直溝とによって蛇行状に形成されており、左側の端縁際→右側の端縁際→左側の端縁際→右側の端縁際・・・の順に交互に折り返された状態になっている。各第一通路１０，１０および各第二通路１１，１１は、所定の間隔を隔てて、上下方向および左右方向とも平行に配置された状態になっている。
【００１５】
一方、酸化剤極側のセパレータ４も、燃料極側のセパレータ３と同様に、ガス不透過性の材料によって形成されており、酸化剤電極８と接合した面に、酸化剤ガスを流通させるための凹溝状の酸化剤ガス通路１２を備えている。酸化剤ガス通路１２は、相対的に湿度が高い燃料ガスを通過させるための複数の第一通路１３，１３と、相対的に湿度が低いガスを通過させるための複数の第二通路１４，１４とを有している。各第一通路１３，１３および各第二通路１４，１４は、セパレータ３の各第一通路１０，１０および各第二通路１１，１１と同様に、左右方向に長尺な水平溝と、それらの水平溝同士を連結する鉛直溝とによって蛇行状に形成されており、左側の端縁際→右側の端縁際→左側の端縁際→右側の端縁際・・・の順に交互に折り返された状態になっている。そして、所定の間隔を隔てて、上下方向および左右方向とも平行に配置された状態になっている。
【００１６】
燃料電池セル１ａは、セパレータ３の燃料ガス通路９を燃料電極７側に対峙させるとともに、セパレータ４の酸化剤ガス通路１２を酸化剤電極８側に対峙させ、燃料ガス通路９（第一通路１０，１０および第二通路１１，１１）および酸化剤ガス通路１２（第一通路１３，１３および第二通路１４，１４）からのガスの漏洩を防止するシール部材５を、セパレータ３，４およびＭＥＡ２の周縁際に設けられた凹状部に嵌め込んだ状態で、セパレータ３，４を、それぞれ、ＭＥＡ２の表裏両面に積層することによって形成されている。
【００１７】
上記の如く構成された燃料電池セル１ａを使用する場合には、燃料ガス通路９の第一通路１０，１０に湿度が高い燃料ガスを通過させ、第二通路１１，１１に湿度が低い燃料ガスを通過させる一方、酸化剤ガス通路１２の第一通路１３，１３に湿度が高い酸化剤ガスを通過させ、第二通路１４，１４に湿度が低い酸化剤ガスを通過させる。そうすることにより、供給ガス内の水分や生成水が相対的に乾燥している部分に移動するので、フラッディングやドライアップの発生を低減させることが可能となる。
【００１８】
燃料電池セル1ａは、上記の如く、燃料ガス通路９が、ガスを流下させるための第一通路１０，１０と、それらの第一通路１０，１０を流下するガスと湿度が異なるガスを流下させるための第二通路１１，１１とから構成されているとともに、酸化剤ガス通路１２が、ガスを流下させるための第一通路１３，１３と、それらの第一通路１３，１３を流下するガスと湿度が異なるガスを流下させるための第二通路１４，１４とから構成されている。それゆえ、燃料電池セル１ａによれば、湿度の異なるガスのそれぞれの供給量を制御することによって、燃料電池セルスタックの湿度を容易に管理することができる。したがって、燃料電池セル１ａによれば、燃料電池の発電効率を高く維持することができる。また、ドライアップが発生したときには、十分に加湿されたガスを燃料電池セルスタックに供給し、フラッディングが発生したときには、生成水を取り込む余裕のあるガスを燃料電池セルスタックに供給することにより、湿度状態を早急に適正な状態に戻すことができる。したがって、燃料電池セル１ａによれば、燃料電池発電設備の寿命を長くすることができる。
【実施例】
【００１９】
実施例の燃料電池セル１ｂの構造は、参考例の燃料電池セル１ａの構造と略同一であるが、燃料極側のセパレータおよび酸化剤極側のセパレータの形状が、燃料電池セル１ａのものと異なっている。図３は、実施例の燃料電池セル１ｂのセパレータの表面を示したものであり、燃料極側のセパレータ２１は、表面（燃料電極４との接合面）に、燃料ガスを流通させるための複数の燃料ガス通路２３ａ，２３ｂ，２３ｃ・・を備えている。各燃料ガス通路２３ａ，２３ｂ，２３ｃ・・は、左右方向に長尺な凹溝状に形成されており、上下に平行に配置されている。図４は、各燃料ガス通路２３ａ，２３ｂ，２３ｃ・・の先端部分を概念的に示したものであり、各燃料ガス通路２３ａ，２３ｂ，２３ｃ・・の先端には、それぞれ、相対的に湿度が高い燃料ガスを流入させるための第一流入路２４と、相対的に湿度が低いガスを流入させるための第二流入路２５とが設けられている。
【００２０】
また、一方、酸化剤極側のセパレータ２２も、セパレータ２１と同様に、ガス不透過性の材料によって形成されており、酸化剤電極８と接合した面に、酸化剤ガスを流通させるための凹溝状の複数の酸化剤ガス通路２６ａ，２６ｂ，２６ｃ・・を備えている。各酸化剤ガス通路２６ａ，２６ｂ，２６ｃ・・は、セパレータ２１の各燃料ガス通路２３ａ，２３ｂ，２３ｃ・・と同様に、左右方向に長尺な凹溝状に形成されており、それぞれ、相対的に湿度が高い酸化剤ガスを流入させるための第一流入路２７と、相対的に湿度が低い酸化剤ガスを流入させるための第二流入路２８とが設けられている。なお、燃料電池セル１ｂのその他の構造は、参考例の燃料電池セル１ａの構造と同一である。
【００２１】
上記の如く構成された燃料電池セル１ｂを使用する場合には、発電電流量に応じて、十分に加湿したガスを流すガス通路の個数、および、生成水を取り込む余裕のあるガスを流すガス通路の個数を調整する。すなわち、発電電流が少ないときには、十分に加湿したガスを流すガス通路の個数を、生成水を取り込む余裕のあるガスを流すガス通路の個数よりも多くして、ドライアップを防止する。たとえば、燃料ガス通路２３ｂ，２３ｃ，２３ｅ，２３ｆ，２３ｈ，２３ｉ，２３ｋ，２３ｌ，２３ｎにおいては、第一流入路２４から相対的に湿度の高い燃料ガスを供給し、燃料ガス通路２３ａ，２３ｄ，２３ｇ，２３ｊ，２３ｍにおいては、第二流入路２５から相対的に湿度の低い燃料ガスを供給する。反対に、発電電流が多いときには、生成水を取り込む余裕のあるガスを流すガス通路の個数を、十分に加湿したガスを流すガス通路の個数よりも多くして、フラッディングを防止する。たとえば、燃料ガス通路２３ｂ，２３ｃ，２３ｅ，２３ｆ，２３ｈ，２３ｉ，２３ｋ，２３ｌ，２３ｎにおいては、第二流入路２５から相対的に湿度の低い燃料ガスを供給し、燃料ガス通路２３ａ，２３ｄ，２３ｇ，２３ｊ，２３ｍにおいては、第一流入路２４から相対的に湿度の高い燃料ガスを供給する。そうすることにより、供給ガス内の水分や生成水が相対的に乾燥している部分に移動するので、フラッディングやドライアップの発生を低減させることが可能となる。
【００２２】
燃料電池セル１ｂは、上記の如く、燃料ガス通路２３ａ，２３ｂ，２３ｃ・・が、ガスを流入させるための第一流入路２４と、その第一流入路２４から流入されるガスと湿度が異なるガスを流入させるための第二流入路２５とを備えているとともに、酸化剤ガス通路２６が、ガスを流入させるための第一流入路２７と、その第一流入路２７から流入されるガスと湿度が異なるガスを流入させるための第二流入路２８とを備えている。それゆえ、燃料電池セル１ｂによれば、参考例の燃料電池セル１ａと同様に、湿度の異なるガスのそれぞれの供給量を制御することによって、燃料電池セルスタックの湿度を容易に管理することができ、燃料電池の発電効率を高く維持することができる。加えて、参考例の燃料電池セル１ａと同様に、湿度状態を早急に適正な状態に戻すことができるので、燃料電池発電設備の寿命を長くすることができる。
【００２３】
なお、本発明に係る燃料電池セルの構成は、上記各実施例の態様に何ら限定されるものではなく、ＭＥＡ、電解質膜、燃料電極、酸化剤電極、セパレータ、燃料ガス通路（第一通路、第二通路、第一流入路、第二流入路）、酸化剤ガス通路（第一通路、第二通路、第一流入路、第二流入路）等の形状、構造、材質等の構成を、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、必要に応じて適宜変更できる。
【００２４】
たとえば、本発明の燃料電池セルを、上記参考例の如く構成する構成する場合には、燃料ガス通路あるいは酸化剤ガス通路を構成する第一通路、第二通路の個数は、２個に限定されず、１個でも良いし、３個以上でも良い。また、本発明の燃料電池セルは、燃料ガス通路あるいは酸化剤ガス通路を構成する第一通路の個数と第二通路の個数とが同一であるものに限定されず、第一通路の個数と第二通路の個数とが異なるものでも良い。加えて、燃料ガス通路と酸化剤ガス通路との両方に、第一通路と第二通路とを設けたものに限定されず、燃料ガス通路あるいは酸化剤ガス通路のいずれかに、第一通路と第二通路とを設けたものでも良い。
【００２５】
一方、本発明の燃料電池セルを、上記実施例の如く構成する構成する場合には、全ての燃料ガス通路あるいは酸化剤ガス通路に第一流入路、第二流入路を設ける必要はなく、一部の燃料ガス通路あるいは酸化剤ガス通路に第一流入路、第二流入路を設けることも可能である。また、燃料ガス通路と酸化剤ガス通路との両方に、第一流入路と第二流入路とを設けたものに限定されず、燃料ガス通路あるいは酸化剤ガス通路のいずれかに、第一流入路と第二流入路とを設けたものでも良い。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明の燃料電池セルは、上記の如く優れた効果を奏するものであるので、各種の燃料電池用のセルとして好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】燃料電池セルの鉛直断面を示す説明図である。
【図２】参考例のセパレータの表面の様子を示す説明図である。
【図３】実施例のセパレータの表面の様子を示す説明図である。
【図４】燃料ガス通路と酸化剤ガス通路の先端部分を示す説明図である。
【符号の説明】
【００２８】
１ａ，１ｂ・・燃料電池セル
２・・ＭＥＡ
３・・セパレータ（燃料極側）
４・・セパレータ（酸化剤極側）
６・・電解質膜
７・・燃料電極
８・・酸化剤電極
９・・燃料ガス通路
１０・・第一通路
１１・・第二通路
１２・・酸化剤ガス通路
１３・・第一通路
１４・・第二通路
２１・・セパレータ（燃料極側）
２２・・セパレータ（酸化剤極側）
２３・・燃料ガス通路
２４・・第一流入路
２５・・第二流入路
２６・・酸化剤ガス通路
２７・・第一流入路
２８・・第二流入路
【図１】
0005531222.tif 000002
【図２】
0005531222.tif 000003
【図３】
0005531222.tif 000004
【図４】
0005531222.tif 000005